ماذا يحدث في أدمغتنا أثناء النوم؟ باحثون يجيبون

ماذا يحقق النوم وما الذي نستفيده منه؟ لسنوات عديدة، لم يكن بوسع الأكاديميين إلا أن يقولوا إن النوم يقلل من التعب. وهو أمر لا يكاد يكون مرضيًا لاحتياجات الإنسان الأساسية.

مؤخرا توصلت مجموعة من الأكاديميين من الفنون والعلوم إلى نظرية قد تفسر مدى تعقيد الدماغ وكذلك أهمية النوم. ومن أجل إثبات أن الدماغ يجب أن يعيد ضبط نظام التشغيل بشكل دوري؛ سجل الباحثون مؤخرًا نشاط الدماغ لدى الفئران النائمة لنشره في مجلة Nature Neuroscience.

لا نوم لا حياة

الراحة الجسدية، بما في ذلك النوم لمدة سبع إلى ثماني ساعات، ضرورية لإعادة شحن الجسم والحفاظ على صحته. فالنوم مطلب أساسي، مثله مثل الطعام والشراب. كما يحذر كيث هينجين، الأستاذ المساعد في علم الأحياء بجامعة واشنطن في سانت لويس، قائلاً: “سوف تموت بدونه”. ولكن ماذا يفعل النوم ؟ لسنوات، لم يكن بوسع الأكاديميين إلا أن يقولوا إن النوم يقلل من التعب. وهو ما لا يكاد يكون تفسيرا مرضيا لاحتياجات الإنسان الأساسية.

كمبيوتر بيولوجي يحتاج إلى الإطفاء وإعادة التشغيل

وقال هينغن: “إن الدماغ يشبه جهاز كمبيوتر بيولوجي. كما أن الذاكرة والخبرة أثناء الاستيقاظ تغيران الكود شيئًا فشيئًا. مما يؤدي ببطء إلى سحب النظام الأكبر بعيدًا عن الحالة المثالية. فالغرض الأساسي من النوم هو استعادة الحالة الحسابية المثالية”.

ومن بين المؤلفين المشاركين في الورقة رالف فيسيل، أستاذ الفيزياء. ويفان شو، طالب دراسات عليا في علم الأحياء يدرس علم الأعصاب. وإيدان شنايدر، طالب دراسات عليا في برنامج علم الأحياء الحسابي والأنظمة، وجميعهم في الآداب والعلوم.

حافة الحالة الحرجة

وقال ويسل إن الفيزيائيين كانوا يفكرون في “الحرجية” لأكثر من 30 عامًا، لكنهم لم يحلموا أبدًا بأن هذا العمل سيكون له آثار على النوم. في عالم الفيزياء، تصف الحرجية نظامًا معقدًا موجود عند نقطة التحول بين النظام والفوضى. وقال ويسل: “في أحد الطرفين، كل شيء منتظم تمامًا. وفي الطرف الآخر، كل شيء عشوائي”.

تعمل الأهمية الحرجة على زيادة تشفير المعلومات ومعالجتها إلى الحد الأقصى، مما يجعلها مرشحًا جذابًا لمبدأ عام في علم الأحياء العصبي. كذلك في دراسة أجريت عام 2019، أثبت هينجين وويسيل أن الدماغ يعمل بنشاط للحفاظ على الحرجية.

وفي الورقة الجديدة، يقدم الفريق أول دليل مباشر على أن النوم يعيد القوة الحسابية للدماغ. كما إنه خروج جذري عن الافتراض السائد منذ فترة طويلة بأن النوم يجب أن يجدد بطريقة أو بأخرى المواد الكيميائية الغامضة وغير المعروفة التي يتم استنفادها أثناء ساعات الاستيقاظ.

إعادة ضبط النظام

بعد ورقتهم البحثية لعام 2019، افترض هينغن وويسيل أن التعلم والتفكير والاستيقاظ يجب أن يدفع الدماغ بعيدًا عن الأهمية. وأن النوم في وضع مثالي لإعادة ضبط النظام. وقال هينغن: “لقد أدركنا أن هذا سيكون تفسيراً رائعاً وبديهياً للغرض الأساسي من النوم. أيضا النوم هو حل على مستوى الأنظمة لمشكلة على مستوى الأنظمة”.

ولاختبار نظريتهم حول دور الأهمية في النوم، قام الباحثون بتتبع ارتفاع العديد من الخلايا العصبية في أدمغة الفئران الصغيرة أثناء قيامهم بروتين نومهم واستيقاظهم الطبيعي.

وقال هينغن: “يمكنك متابعة هذه السلاسل الصغيرة من النشاط من خلال الشبكة العصبية”. وأضاف أن هذه الشلالات، والتي تسمى أيضًا الانهيارات العصبية، تعكس كيفية تدفق المعلومات عبر الدماغ.

انخفاض معدل الانهيارات

علاوة على ذلك، في الحالة الحرجة، يمكن أن تحدث انهيارات من جميع الأحجام والفترات. وبعيدًا عن الحالة الحرجة. كما يصبح النظام متحيزًا نحو الانهيارات الصغيرة فقط أو الانهيارات الكبيرة فقط. وهذا مشابه لكتابة كتاب والقدرة على استخدام الكلمات القصيرة أو الطويلة فقط. كما تنبأ، حدثت انهيارات من جميع الأحجام في الفئران التي استيقظت للتو من النوم التصالحي. خلال فترة الاستيقاظ، بدأت الشلالات في التحول نحو أحجام أصغر فأصغر.

ووجد الباحثون أن بإمكانهم التنبؤ بالوقت الذي تكون فيه الفئران على وشك النوم أو الاستيقاظ من خلال تتبع توزيع الانهيارات. عندما تم تقليل أحجام التتالي إلى نقطة معينة، لم يكن النوم بعيدًا.

وقال هينغن: “تشير النتائج إلى أن كل لحظة استيقاظ تدفع دوائر الدماغ ذات الصلة بعيدا عن الحالة الحرجة، والنوم يساعد على إعادة ضبط الدماغ”.

نظام معقد يعيد ترتيب نفسه بنفسه

عندما طور الفيزيائيون مفهوم “الحرجية” لأول مرة في أواخر الثمانينيات، كانوا ينظرون إلى أكوام من الرمال على شبكة تشبه رقعة الشطرنج، وهو السيناريو الذي يبدو بعيدًا عن العقول. وقال ويسل إن تلك الأكوام الرملية قدمت فكرة مهمة.

كما أنه إذا تم إسقاط آلاف الحبوب على الشبكة باتباع قواعد بسيطة، فإن الأكوام تصل بسرعة إلى حالة حرجة حيث تبدأ أشياء مثيرة للاهتمام في الحدوث.

كذلك يمكن أن تبدأ الانهيارات الكبيرة والصغيرة دون سابق إنذار، وتبدأ الأكوام الموجودة في أحد المربعات في الانتشار إلى المربعات الأخرى. وقال “النظام برمته ينظم نفسه في شيء معقد للغاية”.

وقال ويسيل إن الانهيارات العصبية التي تحدث في الدماغ تشبه إلى حد كبير الانهيارات الثلجية على الشبكة. وفي كل حالة، تعتبر الشلالات هي السمة المميزة للنظام الذي وصل إلى حالته الأكثر تعقيدًا.

تعاون الفيزياء والأحياء

وفقا لهينجن، كل خلية عصبية تشبه حبة رمل فردية تتبع قواعد أساسية للغاية. الخلايا العصبية هي في الأساس مفاتيح تشغيل/إيقاف تحدد ما إذا كان سيتم تنشيطها أم لا بناءً على مدخلات مباشرة.

إذا تمكنت مليارات الخلايا العصبية من الوصول إلى الحالة الحرجة، النقطة الحلوة بين الكثير من النظام والكثير من الفوضى، فيمكنها العمل معًا لتشكيل شيء معقد وعجيب. وقال هينغن: “إن الأهمية الحرجة تزيد من مجموعة من الميزات التي تبدو مرغوبة للغاية بالنسبة للدماغ”.

وكانت الدراسة الجديدة جهدا متعدد التخصصات. حيث صمم هنجن وشو وشنايدر التجارب وقدموا البيانات. بينما انضم فيسيل إلى الفريق لتنفيذ المعادلات الرياضية اللازمة لفهم النوم في إطار الحرجية. وقال ويسيل: “إنه تعاون جميل بين الفيزياء وعلم الأحياء”.